Гибридный автоматический запрос повторения

Гибридный автоматический запрос повторения ( гибридный ARQ или HARQ ) представляет собой комбинацию высокоскоростного прямого исправления ошибок (FEC) и автоматического контроля ошибок запроса повторения (ARQ). В стандартном ARQ к передаваемым данным добавляются избыточные биты с использованием кода обнаружения ошибок (ED), такого как проверка циклическим избыточным кодом (CRC). Получатели, обнаружившие поврежденное сообщение, запросят новое сообщение у отправителя. В гибридном ARQ исходные данные кодируются с помощью кода FEC, а биты четности либо немедленно отправляются вместе с сообщением, либо передаются только по запросу, когда получатель обнаруживает ошибочное сообщение. Код ED может быть опущен, если используется код, который может выполнять как прямое исправление ошибок (FEC), так и обнаружение ошибок, например код Рида-Соломона . Код FEC выбирается для исправления ожидаемого подмножества всех ошибок, которые могут возникнуть, в то время как метод ARQ используется в качестве запасного варианта для исправления ошибок, которые невозможно исправить, с использованием только избыточности, отправленной при начальной передаче. В результате гибридный ARQ работает лучше, чем обычный ARQ в условиях плохого сигнала, но в его простейшей форме это достигается за счет значительно более низкой пропускной способности в условиях хорошего сигнала. Обычно существует точка пересечения качества сигнала, ниже которой лучше простой гибридный ARQ и выше которой лучше базовый ARQ.

Простой гибридный ARQ

Самая простая версия HARQ, HARQ типа I , добавляет информацию как ED, так и FEC к каждому сообщению перед передачей. Когда закодированный блок данных принят, приемник сначала декодирует код исправления ошибок. Если качество канала достаточно хорошее, все ошибки передачи можно исправить, и приемник сможет получить правильный блок данных. Если качество канала плохое и не все ошибки передачи можно исправить, приемник обнаружит эту ситуацию с помощью кода обнаружения ошибок, затем принятый блок закодированных данных отклоняется и приемник запрашивает повторную передачу, аналогично АРК. ^[1]

В более сложной форме, HARQ типа II , отправитель сообщения чередует биты сообщения вместе с битами четности обнаружения ошибок и только битами четности FEC. Когда первая передача получена без ошибок, биты четности FEC никогда не передаются. Кроме того, две последовательные передачи могут быть объединены для исправления ошибок, если ни одна из них не свободна от ошибок. ^[2]

Чтобы понять разницу между гибридным ARQ типа I и типа II, учтите размер добавляемой информации ED и FEC: обнаружение ошибок обычно добавляет к сообщению только пару байтов, что представляет собой лишь постепенное увеличение длины. FEC, с другой стороны, часто может удвоить или утроить длину сообщения с помощью четности исправления ошибок. Что касается пропускной способности, стандартный ARQ обычно затрачивает несколько процентов пропускной способности канала для надежной защиты от ошибок, тогда как FEC обычно расходует половину или более всей пропускной способности канала для улучшения канала.

В стандартном ARQ передача должна быть принята без ошибок при любой данной передаче, чтобы обнаружение ошибок прошло успешно. В гибридном ARQ типа II первая передача содержит только данные и обнаружение ошибок (не отличается от стандартного ARQ). Если получено без ошибок, значит, все готово. Если данные получены с ошибкой, вторая передача будет содержать четность FEC и обнаружение ошибок. Если получено без ошибок, значит, все готово. Если получено с ошибкой, можно попытаться исправить ошибку, объединив информацию, полученную из обеих передач.

Только гибридный ARQ типа I страдает от потери мощности в условиях сильного сигнала. Гибридный ARQ типа II не делает этого, поскольку биты FEC передаются только при последующих повторных передачах по мере необходимости. В условиях сильного сигнала гибридный ARQ типа II работает с такой же пропускной способностью, как и стандартный ARQ. В условиях плохого сигнала гибридный ARQ типа II работает с такой же чувствительностью, как и стандартный FEC.

Гибридный ARQ с мягким объединением

На практике неправильно принятые блоки закодированных данных часто сохраняются в приемнике, а не отбрасываются, и когда повторно переданный блок принимается, два блока объединяются. Это называется гибридным ARQ с мягким объединением (Dahlman et al., стр. 120). Хотя возможно, что две данные передачи не могут быть независимо декодированы без ошибок, может случиться так, что комбинация ранее ошибочно принятых передач даст нам достаточно информации для правильного декодирования. В HARQ существует два основных метода мягкого объединения:

Чейз-комбинирование: каждая повторная передача содержит одну и ту же информацию (биты данных и четности). Приемник использует объединение с максимальным коэффициентом для объединения полученных битов с теми же битами из предыдущих передач. Поскольку все передачи идентичны, объединение Чейза можно рассматривать как дополнительное кодирование повторения . О каждой повторной передаче можно было бы думать как о добавлении дополнительной энергии к принятой передаче за счет увеличения Eb/N0 .
Инкрементная избыточность: каждая повторная передача содержит информацию, отличную от предыдущей. Генерируется несколько наборов кодированных битов, каждый из которых представляет один и тот же набор информационных битов. При повторной передаче обычно используется другой набор закодированных битов, чем при предыдущей передаче, с разными версиями избыточности, генерируемыми путем прокалывания выхода кодера. Таким образом, при каждой повторной передаче получатель получает дополнительную информацию.

Существует несколько вариантов двух основных методов. Например, при частичном объединении Чейза повторно передается только подмножество битов исходной передачи. При частичной инкрементной избыточности всегда включаются систематические биты, так что каждая повторная передача является самодекодируемой.

Примером HARQ с возрастающей избыточностью является HSDPA : блок данных сначала кодируется с помощью проколотого 1/3 турбокода , затем во время каждой (повторной) передачи закодированный блок обычно прокалывается дальше (т.е. выбирается только часть закодированных битов). и отправил. Шаблон выкалывания, используемый во время каждой (повторной) передачи, различен, поэтому каждый раз передаются разные закодированные биты. Хотя стандарт HSDPA поддерживает как комбинирование Чейза, так и инкрементную избыточность, было показано, что инкрементная избыточность почти всегда работает лучше, чем комбинирование Чейза, за счет увеличения сложности. ^[3]

HARQ может использоваться в режиме остановки и ожидания или в режиме выборочного повторения . Остановиться и подождать проще, но ожидание подтверждения получателя снижает эффективность. Таким образом, на практике несколько процессов HARQ с остановкой и ожиданием часто выполняются параллельно: когда один процесс HARQ ожидает подтверждения, другой процесс может использовать канал для отправки дополнительных данных.

Помимо турбокодов, существуют и другие коды прямого исправления ошибок, которые можно использовать в схеме HARQ, например код расширенного нерегулярного повторения-накопления (eIRA) и код с эффективной кодировкой и совместимостью по скорости (E2RC), оба из которых имеют низкую плотность четности. проверь коды .

Приложения

HARQ используется в HSDPA и HSUPA , которые обеспечивают высокоскоростную передачу данных (по нисходящей и восходящей линии связи соответственно) для сетей мобильной связи, таких как UMTS , а также в стандарте IEEE 802.16-2005 для мобильного широкополосного беспроводного доступа, также известного как «мобильный WiMAX». . Он также используется в Evolution-Data Optimized и LTE беспроводных сетях .

Гибридный ARQ типа I используется в ITU-T G.hn , стандарте высокоскоростной локальной сети , который может работать со скоростью передачи данных до 1 Гбит/с по существующей домашней проводке ( линии электропередачи , телефонные линии и коаксиальные кабели ). G.hn использует CRC-32C для обнаружения ошибок, LDPC для прямого исправления ошибок и выборочное повторение для ARQ.

Ссылки

^ Комро/Костелло 1984, с. 474
^ Комро/Костелло 1984, стр. 474–5.
^ Френгер, П.; С. Парквалл; Э. Дальман (октябрь 2001 г.). «Сравнение производительности HARQ с объединением Чейза и возрастающей избыточностью для HSDPA». Конференция по автомобильным технологиям, 2001 г. VTC 2001, осень. IEEE VTS 54-я конференция . Том. 3. Городок Пискатауэй, Нью-Джерси : Операционный центр IEEE. стр. 1829–1833. дои : 10.1109/VTC.2001.956516 . ISBN 0-7803-7005-8 .

Дальнейшее чтение

Солянин, Эмина; Руохэн Лю; Предраг Спасоевич (2004). «Гибридный ARQ со случайным назначением передачи» . Достижения в теории сетевой информации . Провиденс, Род-Айленд : Американское математическое общество . стр. 321–334. ISBN 0-8218-3467-3 . Проверено 18 марта 2009 г. также доступен в виде препринта .
Комро, Р.; Д. Костелло (июль 1984 г.). «Схемы ARQ для передачи данных в системах мобильной радиосвязи». Журнал IEEE по избранным областям коммуникаций . 2 (4): 472–481. дои : 10.1109/JSAC.1984.1146084 .
Давида, Джордж I .; Судхакар М. Редди (сентябрь 1972 г.). «Прямое исправление ошибок с обратной связью по решению» . Информация и контроль . 21 (2): 117–133. дои : 10.1016/S0019-9958(72)90057-5 .
«Согласование скорости и HARQ (WCDMA/HSDPA)» . Согласование скорости и HARQ (WCDMA/HSDPA) . ^{[ постоянная мертвая ссылка ]}
Дальман, Эрик; Парквалл, Стефан; Скёльд, Йохан; Беминг, Питер (2008). Эволюция 3G - HSPA и LTE для мобильной широкополосной связи (2-е изд.). Академическая пресса. стр. 119–123. ISBN 978-0-12-374538-5 .

[1] Комро/Костелло 1984, с. 474

[2] Комро/Костелло 1984, стр. 474–5.

[3] Френгер, П.; С. Парквалл; Э. Дальман (октябрь 2001 г.). «Сравнение производительности HARQ с объединением Чейза и возрастающей избыточностью для HSDPA». Конференция по автомобильным технологиям, 2001 г. VTC 2001, осень. IEEE VTS 54-я конференция . Том. 3. Городок Пискатауэй, Нью-Джерси : Операционный центр IEEE. стр. 1829–1833. дои : 10.1109/VTC.2001.956516 . ISBN 0-7803-7005-8 .

[1]

[2]

[3]